KABEL

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Kabel (10) zum elektrischen Anschluss von Photovoltaikmodulen an ein Energienetzwerk, mit
- zumindest einem elektrischen und/oder zumindest einem optischen Leiter (1);
- einer Isolationsschicht (2), welche den Leiter (1) umschliesst;
- einem Aussenmantel (4), welcher die vorgenannten Bestandteile umschliesst.
Erfindungsgemäss ist zwischen dem Aussenmantel (4) und der Isolationsschicht (2) eine Diffusionssperrschicht (3) angeordnet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Kabel, insbesondere ein Kabel zum Anschluss von Photovoltaikmodulen, welches zur Verlegung in feuchten Umgebungen bzw. in Umgebungen, in welchen das Kabel Feuchtigkeit ausgesetzt ist, geeignet ist.

[0002] Elektrische oder optische Kabel und Leitungen sollen in der praktischen Anwendung unterschiedlichen Einwirkungen, insbesondere mechanischen und chemischen Einwirkungen standhalten. Für diverse Anwendungsbereiche wird zudem eine gute Feuerfestigkeit der Kabel für den Funktionserhalt im Brandfall gefordert. In der DIN 4102 wird der Funktionserhalt von Kabelkanälen in Klassen unterteilt. Die Klassenbezeichnung richtet sich wie folgt nach der Dauer innerhalb der der Funktionserhalt gewährleistet sein soll. Kabel und Leitungen, die für den Funktionserhalt im Brandfall eingesetzt werden, weisen ein Brennverhalten nach IEC 60332-1 (flammwidrig) oder IEC 60332-3 (hoch flammwidrig) auf.

[0003] Die einzelnen Funktionseinheiten des Kabels, der elektrischen oder optischen Leiter, der Leiterisolationen, allfälliger Abschirmungen und des Kabelmantels, sind daher entsprechend den Anforderungen auszugestalten.

[0004] Hohe Anforderungen an die Langzeitbeständigkeit bestehen insbesondere bei Kabeln, die an Photovoltaikmodule angeschlossen werden, da Dauerbetrieb über mehrere Jahre (mit hoher Gleichstromlast) gewährleistet sein soll. Die Kabel müssen zudem halogenfrei und flammbeständig sein. In diesem Anwendungsbereich werden Kabel oft im Erdreich verlegt. Das Erdreich ist von Natur aus mit Feuchtigkeit durchsetzt, so dass die verlegten Kabel - insbesondere deren Aussenmantel - oft dauernd einer hohen Feuchtigkeit und Nässe ausgesetzt sind. Die Feuchtigkeit kann das Kabel auf diverse Arten schädigen. Z.B. besteht die Gefahr, dass wasserlösliche Zusatzstoffe im Aussenmantel mit der Zeit ausgewaschen werden. Zusatzstoffe, z.B. Flammschutzmittel, werden dem Aussenmantel zugesetzt, um eine gewünschte Eigenschaft und/oder Beständigkeit des Grundmaterials zu verbessern. Werden diese Zusatzstoffe ausgewaschen, gehen die betreffenden Eigenschaften, insbesondere die Beständigkeit, verloren, so dass ein bestimmungsgemässer Betrieb des Kabels nicht mehr möglich ist und die gestellten Anforderungen nicht mehr erfüllt werden.

[0005] Die Dauerbelastung durch Feuchtigkeit kann auch die Isolationseigenschaften des Aussenmantels und/oder der Isolationsschicht(en) im Inneren des Kabels beeinträchtigen, so dass es zu Fehlerströmen, insbesondere Kriechströmen, und einem damit verbundenen Ausfall der mit dem Kabel verbundenen Anlage kommen kann. Bei Kabeln, die in der Kommunikationstechnik auftreten, können Signalstörungen, wie eine erhöhte Dämpfung oder ein Übersprechen, auftreten.

[0006] Feuchtigkeit bzw. Wasser kann bei längerer Lagerung des Kabels in feuchter oder nasser Umgebung quer zur Kabellängsachse ins Kabelinnere diffundieren und die innenliegenden Kabelbestandteile schädigen.

[0007] Aus der DE10131569 ist ein im feuchten Erdreich und im Wasser verlegbares Kabel bekannt. Das Kabel umfasst eine sehr Dicke Polyethylenschicht von zumindest 35mm Dicke, welche nicht flammwidrig, sondern leicht brennbar ist. Das Kabel wird durch aufbringen einer externen, dünnen Brandschutzschicht flammwidrig gemacht. Bei einer Beschädigung der dünnen externen Brandschutzschicht besteht das Risiko, dass die darunterliegende Polyethylenschicht in Brand gesetzt wird. Aufgrund des am gesamten Kabelvolumen anteilsmässig grossen Anteils an nicht flammgeschützten Polyethylen kann sich ein Feuer rasch entlang dem Kabel ausbreiten, da viel brandfähiges Material zur Verfügung steht. Dies stellt ein Sicherheitsrisiko dar.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kabel zu schaffen, das in feuchten Umgebungen, insbesondere im Erdreich, verlegbar ist.

[0009] Insbesondere soll das Kabel langzeitbeständig gegen Feuchtigkeit und Wasser sein und die Querdiffusion von Wasser und Feuchtigkeit ins Kabelinnere minimieren.

[0010] Ferner soll das Kabel flammwidrig gemäss IEC 60332-1-2 sein.

[0011] Zudem soll das Kabel einfach, kostengünstig und in wenigen Schritten gefertigt werden können.

[0012] Diese Aufgabe wird mit einem Kabel gelöst, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

[0013] Das Kabel, das insbesondere zum Anschluss von Photovoltaikmodulen an ein Energienetzwerk geeignet ist, umfasst zumindest einen elektrischen und/oder zumindest einen optischen Leiter, zumindest eine Isolationsschicht, welche den zumindest einen Leiter umschliesst, sowie einen Aussenmantel, welcher die vorgenannten den Leiter und die Isolationsschicht umschliesst.

[0014] Erfindungsgemäss ist zwischen dem Aussenmantel und der Isolationsschicht eine Diffusionssperrschicht angeordnet. Die Diffusionssperrschicht ist so ausgelegt, dass die Querdiffusion von Wasser und Feuchtigkeit ins Innere des Kabels verhindert oder zumindest deutlich reduziert wird. Vorzugsweise wird eine Reduktion der Diffusion von Wasser und Feuchtigkeit um zumindest einen Faktor 100, weiter bevorzugt um zumindest einen Faktor 1000 im Vergleich zu einem Kabel ohne Diffusionssperrschicht erreicht. Durch die Verhinderung oder zumindest die starke Reduktion des Eindringens von Wasser und Feuchtigkeit ins Innere des Kabels werden die innenliegenden Kabelbestandteile, insbesondere elektrische Leiter und die Isolationsschicht, vor Schädigung und vorzeitiger Alterung geschützt, wodurch sich die Einsatzdauer des Kabels verlängert. Insbesondere bei Kommunikationskabeln können Fehlfunktionen, wie eine erhöhte Dämpfung, ein Übersprechen, Energieverluste oder auch sporadisch auftretende Störungen, die schwierig zu lokalisieren sind, vermieden werden.

[0015] Durch entsprechende Dimensionierung des Kabels können dessen Eigenschaften vorteilhaft gewählt werden. Zudem können der Herstellungsaufwand und die Materialkosten reduziert werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Diffusionssperrschicht dünner als die Isolationsschicht und/oder dünner als der Aussenmantel. Durch die Verwendung einer dünnen Diffusionssperrschicht wird nur ein Minimum an einfach brennbarem Material eingesetzt, so dass im Brandfall nur ein kleiner Volumenanteil des Kabels brennbar ist. Insbesondere bei einer mechanischen Beschädigung des vorzugsweise brandbeständigen, flammwidrigen oder flammhemmenden Aussenmantels kann so die Betriebssicherheit des Kabels erhöht werden.

[0016] Vorzugsweise weist die Diffusionssperrschicht eine nominelle Dicke von zumindest 0.1 mm auf. Die Isolationsschicht und der Aussenmantel weisen vorzugweise eine nominelle Dicke von zumindest 0.5 mm auf. Vorzugsweise ist die Dicke von Diffusionssperrsicht, Isolationsschicht und Aussenmantel auf den Querschnitt des elektrischen Leiters abgestimmt und nimmt mit steigendem Querschnitt des oder der elektrischen Leiter gegebenenfalls proportional zu.

[0017] Aussenmantel, Diffusionssperrschicht und Isolationsschicht sind bevorzugt Extrusionsprodukte. Vorzugsweise werden alle Schichten auf einer Kabelextrusionslinie gefertigt, was eine effiziente Produktion ermöglicht.

[0018] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Isolationsschicht und die Diffusionssperrschicht durch Koextrusion in einem einzelnen Fertigungsschritt gefertigt bzw. auf die innen liegenden Materialien aufgebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Diffusionssperrschicht und der Aussenmantel durch Koextrusion in einem einzelnen Fertigungsschritt gefertigt bzw. auf die innen liegenden Materialien aufgebracht.

[0019] Vorzugsweise ist die Diffusionssperrschicht aus einem nicht-polaren und/oder hydrophoben Polymermaterial gefertigt. Durch die Verwendung eines nicht-polaren und/oder hydrophoben Materials wird die Diffusion selbst durch feine Poren oder Fertigungsfehlstellen in der Diffusionssperrschicht aufgrund von Kapillarkräften reduziert. Die Diffusionssperrschicht ist so gefertigt, dass eine ununterbrochene, möglichst defektfreie Schicht ausgebildet wird.

[0020] In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Polymermaterial für die Diffusionssperrschicht ausschliesslich oder mehrheitlich Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen oder Mischungen von Polyethylen und Polypropylen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Polymermaterial für die Diffusionssperrschicht vernetzt, vorzugsweise durch Elektronenstrahlvernetzung und/oder Silanvernetzung. Durch die Vernetzung wird die Langzeitstabilität verbessert.

[0021] Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemässe Kabel zumindest zwei elektrische Leiter, welche, in einer weiter bevorzugten Ausgestaltung, je durch eine Abschirmung umfasst sind. Erfindungsgemässe Kabel können in verschiedenen Bereichen für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. Erfindungsgemässe Kabel können mit optischen Leitern oder elektrischen Leitern oder einer Kombination davon ausgerüstet werden.

[0022] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Aussenmantel flammwidrig nach der Norm IEC 60332-1-2 ausgeführt. Hierzu sind dem Polymermaterial für den Aussenmantel flammhemmende Additive, vorzugsweise Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid, Zinkborate, Ammoniumsulfat oder Phosphat-basierte Materialien, beigemischt. Vorzugsweise sind diese Additive zumindest weitgehend halogenfrei.

[0023] Um die flammhemmenden oder flammwidrigen Eigenschaften des Kabels im Brandfall zu verbessern, sind in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung dem Aussenmantel und dem Innenmantel und/oder der Isolationsschicht flammhemmende oder flammwidrige Additive beigefügt. Selbst wenn der Aussenmantel durch Flammeneinwirkung komplett zerstört ist, kann der Innenmantel und/oder die Isolationsschicht die elektrische Leitung noch eine längere Zeit vor Beschädigung schützen. Vorzugsweise sind sowohl das flammhemmende oder flammwidrige Additiv für den Aussenmantel als auch das flammhemmende oder flammwidrige Additiv für den Innenmantel und/oder die Isolationsschicht zumindest weitgehend halogenfrei.

[0024] In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen der Aussenmantel und der Innenmantel und/oder die Isolationsschicht unterschiedliche flammhemmende oder flammwidrige Additive. Besonders bevorzugt umfasst der Innenmantel und/oder die Isolationsschicht wenigstens ein hochwertigeres Additiv, welches bessere flammwidrige oder flammhemmende Eigenschaften ergibt, als Additive, die dem Aussenmantel zugefügt werden. Hochwertigere Additive, mit denen ausgezeichnete flammwidrige oder flammhemmende Eigenschaften erzielt werden, sind in der Regel teurer als Additive mit weniger guten technischen Eigenschaften. Da das Additiv im Aussenmantel mit der Zeit ausgewaschen werden kann, ist die Verwendung eines hochwertigen Additivs im Aussenmantel für lange Betriebsdauern weniger nützlich, da mit dem Abbau der Additive die ursprünglichen Eigenschaften des Aussenmantels und somit des Kabels unvorteilhaft verändert werden. Erfindungsgemäss werden hochwertige Additive daher wenigstens einer der vom Aussenmantel umschlossenen Schichten, z.B. dem Innenmantel und/oder weiteren Isolationsschichten zugegeben. Durch die Diffusionssperrschicht werden der Innenmantel und/oder die weiteren Isolationsschichten, die mit dem hochwertigeren Additiv versehen sind, langfristig besser geschützt, so dass das hochwertige Additiv und die damit verbundenen hochwertigen Eigenschaften des Kabels länger konserviert werden. Die Verwendung des wenigstens einen hochwertigen Additivs im Innenmantel und/oder der weiteren Isolationsschicht führt im Vergleich zum Einsatz dieses hochwertigen Additivs im Aussenmantel zu einer Reduktion der Fertigungskosten.

[0025] Als Additive werden vorzugsweise Metallhydroxide verwendet. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen der Aussenmantel Aluminiumtrihydrat (ATH) und der Innenmantel und/oder die Isolationsschicht Magnesiumdihydrat (MDH).

[0026] Metallhydroxide wie Aluminiumhydroxid oder Magnesiumhydroxid spalten im Brandfall in einem endothermen Prozess Wasser ab. Der endotherme Umwandlungsprozess benötigt je nach Quelle des ATH oder MDH zwischen 1000 und 1300 J/g. Die Reaktion läuft bei ATH ab ca. 200°C, bei MDH ab ca. 300°C ab.

[0027] ATH wird daher oft in Materialien mit Verarbeitungstemperaturen unter 220°C, eingesetzt, während MDH für höhere Verarbeitungstemperaturen bis 300°C eingesetzt wird. Für die vorliegende Verwendung ist jedoch wesentlich, dass das Additiv mit der höheren Umwandlungstemperatur, vorzugsweise MDH, den inneren Schichten noch bei höheren Temperaturen Flammschutz gewährt und dazu durch den Aussenmantel mit dessen Additiven unterstützt wird.

[0028] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1

einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Kabel 10 in einer ersten Ausgestaltung; und

Fig. 2

einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Kabels 10 in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung.

[0029] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemässen Kabels 10. Ein elektrischer Leiter 1 ist von einer gleichmässigen Isolationsschicht 2 umgeben. Auf der Isolationsschicht 2 ist eine Diffusionssperrschicht 3 aufgebracht. Auf der Diffusionssperrschicht 3 ist ein Aussenmantel 4 aufgebracht. Alternativ kann anstelle des elektrischen Leiters 1 ein optischer Leiter 1 verwendet werden. Ebenso können zwischen der Isolationsschicht 2 und der Diffusionssperrschicht 3 bzw. zwischen der Diffusionssperrschicht 3 und dem Aussenmantel 4 weitere Polymer-basierte Schichten oder Schirmgeflechte angeordnet sein, die z.B. der Abschirmung dienen.

[0030] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemässen Kabels 10 in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung. Mehrere elektrische oder optische Leiter 1 sind je von einer Isolationsschicht 2 umschlossen. Die isolierten Leiter 1 sind untereinander durch einen Innenmantel 6 verbunden bzw. in einem Innenmantel 6 angebetet. Auf dem Innenmantel 6 ist eine Diffusionssperrschicht 3 angebracht. Zwischen der Diffusionssperrschicht 3 und dem Aussenmantel 4 wird vorzugsweise eine optionale Abschirmung 5 angeordnet. Die optionale Abschirmung 5 kann auch zwischen Innenmantel 6 und Diffusionssperrschicht 3 angeordnet sein. Die Anzahl der Leiter 1 ist beliebig wählbar.

[0031] Die Kabel gemäss Fig. 1 und Fig. 2 bestehen aus inneren und äusseren Kabelschichten, die vorzugsweise flammhemmende oder flammwidrige Additive umfassen, die sich in ihren Eigenschaften und gegebenenfalls auch den Beschaffungskosten voneinander unterscheiden. Der Aussenmantel 4 bildet die äusserste Kabelschicht, die vorzugsweise ein erstes flammhemmendes oder flammwidriges Additiv umfasst. Der Innenmantel 6 oder die wenigstens eine Isolationsschicht 2 umfassen vorzugsweise ein zweites flammhemmendes oder flammwidriges Additiv.

[0032] Vorteilhaft kann auch für jede der Kabelschichten 4, 6, 2 wenigstens ein flammhemmendes oder flammwidriges Additiv vorgesehene werden. Der Innenmantel weist z.B. ein zweites und die wenigstens eine Isolationsschicht ein drittes flammhemmendes oder flammwidriges Additiv auf.

[0033] Das wenigstens eine erste flammwidrige Additiv ist vorzugsweise kostengünstiger, gegebenenfalls aus kostengünstigeren Materialien, gefertigt als das wenigstens eine zweite oder dritte flammwidrige Additiv. In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung unterliegt das wenigstens eine erste flammwidrige Additiv im Brandfall bei einer tieferen Temperatur einem Umwandlungsprozess als das wenigstens eine zweite oder dritte flammenwidrige Additiv.

[0034] Das erste flammwidrige Additiv ist vorzugsweise ATH oder umfasst einen überwiegenden Anteil von ATH und das zweite schlammwidrige Additiv ist vorzugsweise MDH oder umfasst einen überwiegenden Anteil von MDH. Sofern zwei innere Schichten bzw. eine mittlere und eine innerste Schicht vorgesehen sind, so umfasst die innerste Schicht vorzugsweise ein hochwertiges Metallhydroxid oder Metallhydroxid-Gemisch, vorzugsweise MDH, und die mittlere Schicht ein Metallhydroxid-Gemisch mit einem hochwertigen ersten Metallhydroxid, vorzugsweise MDH, und einem weniger hochwertigen zweiten Metallhydroxid, vorzugsweise ATH, die vorzugsweise in einem Verhältnis im Bereich von 40 zu 60 bis 60 zu 40 gemischt sind.

Bezugszeichenliste

[0035] 

1

elektrischer Leiter

2

Isolationsschicht

3

Diffusionssperrschicht

4

Aussenmantel

5

Abschirmung

6

Innenmantel

10

Kabel

Ansprüche

1. Kabel (10) zum elektrischen Anschluss von Photovoltaikmodulen an ein Energienetzwerk, mit

- zumindest einem elektrischen und/oder zumindest einem optischen Leiter (1);

- zumindest einer Isolationsschicht (2), welche den Leiter (1) umschliesst; und

- einem Aussenmantel (4), welcher den Leiter (1) und die Isolationsschicht (2) umschliesst;
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aussenmantel (4) und der Isolationsschicht (2) eine Diffusionssperrschicht (3) angeordnet ist.

2. Kabel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (3) dünner ist als die Isolationsschicht (2) und/oder dass die Diffusionssperrschicht (3) dünner ist als der Aussenmantel (4).

3. Kabel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei optische oder elektrische Leiter (1) vorgesehen sind, die vorzugsweise gemeinsam von einer Abschirmung (5) umfasst sind.

4. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Leiter (1) mit der zugehörigen Isolationsschicht (2) von einem Innenmantel (6) umschlossen ist.

5. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenmantel (4), die Diffusionssperrschicht (3), der gegebenenfalls vorhandene Innenmantel (6) und/oder die wenigstens eine Isolationsschicht (2) Extrusionsprodukte sind.

6. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2), gegebenenfalls der Innenmantel (6), und die Diffusionssperrschicht (3) das Produkt eines gemeinsamen Fertigungsschritts sind und/oder dass die Diffusionssperrschicht (3) und der Aussenmantel (4) das Produkt eines gemeinsamen Fertigungsschritts sind.

7. Kabel (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (2), gegebenenfalls der Innenmantel (6), und die Diffusionssperrschicht (3) Produkt einer Koextrusion sind und/oder dass die Diffusionssperrschicht (3) und der Aussenmantel (4) Produkt einer Koextrusion sind.

8. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (3) aus einem nicht-polaren Polymermaterial, vorzugsweise einem Polyolefin, gefertigt ist.

9. Kabel (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial für die Diffusionssperrschicht (3) vernetzt ist.

10. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine äussere und eine innere Kabelschicht, wie der Aussenmantel (4) und der Innenmantel (6) oder der Aussenmantel (4) und die wenigstens eine Isolationsschicht (2) oder der Innenmantel (6) und die wenigstens eine Isolationsschicht (2), je wenigstens ein flammhemmendes oder flammwidriges Additiv umfassen.

11. Kabel (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere und die innere Kabelschicht gleiche flammwidrige Additive umfassen oder dass die äussere Kabelschicht wenigstens ein erstes flammwidriges Additiv und die innere Kabelschicht wenigstens ein zweites flammwidriges Additiv umfasst, wobei sich die ersten und zweiten flammwidrigen Additive voneinander unterscheiden.

12. Kabel (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine erste flammwidrige Additiv kostengünstiger, vorzugsweise aus kostengünstigeren Materialien, gefertigt ist als das wenigstens eine zweite flammwidrige Additiv und/oder dass das wenigstens eine erste flammwidrige Additiv im Brandfall bei einer tieferen Temperatur einem Umwandlungsprozess unterliegt als das wenigstens eine zweite flammenwidrige Additiv.

13. Kabel (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine erste flammwidrige Additiv aus ATH oder einem überwiegenden Anteil von ATH besteht und dass das zweite flammenwidrige Additiv aus MDH oder einem überwiegenden Anteil von MDH besteht.

14. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussenmantel (4) flammwidrig gemäss Norm IEC 60332-1-2 ist.

15. Kabel (10) nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die flammhemmenden oder flammwidrigen Additive zumindest weitgehend halogenfrei sind.

Zeichnung